基于NB-IoT技術(shù)的滑坡監(jiān)測系統(tǒng)研究

龍耀 王霄 楊靖 楊另

摘要：滑坡監(jiān)測對于地質(zhì)災(zāi)害的防治至關(guān)重要，這是了解監(jiān)測山體動態(tài)變化和事故預(yù)警的重要手段，也是保障人民生產(chǎn)生活、財產(chǎn)和生命安全的重要保障。針對傳統(tǒng)滑坡災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)的局限性，本文基于無線技術(shù)通過自組網(wǎng)的方式將無線傳感器應(yīng)用在滑坡預(yù)警監(jiān)測中。該系統(tǒng)以Arduino UNO作為開發(fā)板運用窄帶蜂窩物聯(lián)網(wǎng)（NB-IoT）無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)行構(gòu)建，并采用ATmega328P-PU芯片作為核心處理器。以自組網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)作為支撐，用滑坡模擬實驗對相關(guān)的技術(shù)方法進(jìn)行實驗，證明其可行性和實用性。與傳統(tǒng)有線式監(jiān)測方式相比較，這種監(jiān)測系統(tǒng)可以實時準(zhǔn)確地傳輸監(jiān)測信息，且具有低功耗、廣覆蓋、大連接等優(yōu)點，使其更加智能高效。

關(guān)鍵詞：窄帶蜂窩物聯(lián)網(wǎng);無線技術(shù);滑坡監(jiān)測;無線傳感器網(wǎng)絡(luò);Arduino

0引言

在中國西南地區(qū)，地質(zhì)和地理條件非常復(fù)雜，且南方氣候濕潤，雨量充沛，山體滑坡發(fā)生率很高?；碌奈：艽?，對于當(dāng)?shù)厝嗣竦纳a(chǎn)生活，人身財產(chǎn)安全造成很大的危害，給國家經(jīng)濟(jì)造成巨大損失。因此，對相關(guān)山體建立有效的監(jiān)測系統(tǒng)，可以對其采取相應(yīng)的預(yù)防措施，最大程度上減少滑坡所帶來的人身危害和財產(chǎn)損失。因此，對于滑坡預(yù)警系統(tǒng)的研究對于防災(zāi)減災(zāi)工作非常重要。

傳統(tǒng)的預(yù)警監(jiān)測方法大多采用有線連接傳輸，這種方式受限于地理環(huán)境、供電條件、穩(wěn)定性不足，設(shè)備難以維護(hù)、有線傳輸數(shù)據(jù)距離長、投入成本高等因素影響，要對整個山體覆蓋有線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行監(jiān)測難度巨大，并且傳統(tǒng)的監(jiān)測方法反饋速度慢，反饋方式也不直接，往往錯過了事故預(yù)防的最佳時間。在存在蜂窩技術(shù)的時代，傳統(tǒng)的監(jiān)測方式在技術(shù)方法方面已經(jīng)落后于時代發(fā)展的需求。

而NB-IoT是一種新的低功耗窄帶蜂窩物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。其支持大量低速率、低功耗的設(shè)備接人，使得設(shè)備投入成本大大降低，適用于數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)墓ぷ鲌鼍??；跓o線傳感器的無線性、抗破壞能力強(qiáng)的特點，充分說明NB-IoT無線技術(shù)適合運用在滑坡預(yù)警監(jiān)測研究中。相比于傳統(tǒng)有線式的監(jiān)測方式，本文所提出的新方法有著網(wǎng)絡(luò)自組織性、傳感器多樣化以及實時監(jiān)控等優(yōu)點，減小了系統(tǒng)監(jiān)測布置的難度，維護(hù)更加方便，數(shù)據(jù)傳輸更加穩(wěn)定。隨著無線傳感器性能不斷的優(yōu)化，將會更多運用在像滑坡監(jiān)測預(yù)警等方面的研究中。

1 NB-IoT技術(shù)支持

在信息化時代，無線技術(shù)在各行各業(yè)中已廣泛運用。NB-IoT技術(shù)產(chǎn)生于互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)之上。因此具有很多智能化功能。將NB-IoT技術(shù)運用在滑坡監(jiān)測相對于傳統(tǒng)的監(jiān)測系統(tǒng)具有更明顯的優(yōu)勢，改善了傳統(tǒng)監(jiān)測系統(tǒng)的不足。現(xiàn)在NB-IoT技術(shù)已經(jīng)成功整合到現(xiàn)有的移動網(wǎng)絡(luò)中，依托中國網(wǎng)絡(luò)運營商的眾多信號傳輸基站，可有效解決其覆蓋問題?？蓪⑵溥\用在遠(yuǎn)程監(jiān)控中，對戶外山體動態(tài)進(jìn)行實時監(jiān)控：當(dāng)有土壤動態(tài)發(fā)生不正常變化時，將監(jiān)測數(shù)據(jù)由遠(yuǎn)程監(jiān)測中心進(jìn)行分析，針對所出現(xiàn)的狀況指定對應(yīng)策略。NB-IoT的信號穿透力強(qiáng)，而且還支持更多的并發(fā)連接。其有著低成本、低功耗的優(yōu)勢，雖然實際運用場景中也會有一些問題產(chǎn)生，但隨著其技術(shù)的不但改進(jìn)和完善，未來一定會被大面積推廣應(yīng)用。

2 總體架構(gòu)設(shè)計

滑坡是由多種因素綜合在一起，使山坡坡體土壤巖石等發(fā)生局部移動的現(xiàn)象，預(yù)警發(fā)生的主要監(jiān)測因素包括降雨量、土壤含水量、土壤位移、傾斜角度、溫濕度等。由于西南地區(qū)山體地質(zhì)條件比較復(fù)雜，所監(jiān)測區(qū)域的情況不同，所以，在整體設(shè)計時應(yīng)具有自組織網(wǎng)的分布式構(gòu)架，這樣可以根據(jù)監(jiān)測的需要增減傳感器的規(guī)模和種類。本設(shè)計的總體網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D1所示，分布在監(jiān)測坡體帶有無線通信模塊的各個傳感器節(jié)點檢測坡體的環(huán)境信息，如溫濕度、土壤含水率、位移、巖土傾斜度等;將所采集的各項數(shù)據(jù)通過NB-IoT無線模塊由基站發(fā)出信號傳輸?shù)轿锫?lián)網(wǎng)云平臺：網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)將數(shù)據(jù)打包：用戶端實時獲取監(jiān)測的數(shù)據(jù)信息;控制中心對數(shù)據(jù)運用算法進(jìn)行處理運算、分析和建模：及時得出監(jiān)測信息，對有可能發(fā)生山體滑坡災(zāi)害的情況發(fā)出預(yù)警。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

3.1 網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)硬件組成如圖2所示，主體由電源模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、無線通信模塊所構(gòu)成。數(shù)據(jù)采集模塊使用在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)布置的不同種類傳感器采集相對應(yīng)的信息，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換成為數(shù)字信息;數(shù)據(jù)處理模塊是整個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的核心，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的存儲、分析處理以及通信協(xié)議的執(zhí)行等工作：無線通信模塊用于節(jié)點間的通信和數(shù)據(jù)傳輸，完成無線通信的任務(wù);電源模塊對各個節(jié)點進(jìn)行供電，是所有電子系統(tǒng)的基礎(chǔ)。如有需要，還可以拓展其它模塊。

3.2 拓?fù)渫ㄐ偶夹g(shù)

為使無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在滑坡監(jiān)測的適用性，整個無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點必須要支持可靠性和合理性。而NB-IoT無線技術(shù)是面向自動化領(lǐng)域的一種低能耗、低成本、短時延、高覆蓋、強(qiáng)鏈接、大容量的無線網(wǎng)絡(luò)方案，正好適用于此。這種技術(shù)結(jié)合了傳感器技術(shù)、無線通信技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)等等。由不同的微型集成化的傳感器相互合作實時采集監(jiān)測指定范圍內(nèi)監(jiān)控對象的各項數(shù)據(jù)信息，NB-IoT無線技術(shù)明顯的優(yōu)勢是數(shù)據(jù)采集后可直接上傳到云端，不需要通過網(wǎng)關(guān)，直接通過無線傳輸，簡化了現(xiàn)場部署。其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示。

3.2.1 控制器選型

本設(shè)計采用Arduino UNO開發(fā)板。其基于開放原始代碼的Simple I/O平臺，是Arduino平臺的參考標(biāo)準(zhǔn)模板。處理器核心是ATmega328P-PU芯片，ATmega328P-PU，32K Flash，2K RAM，8輸入ADC，AVR處理器，程序存儲器容量：32KB（32K x 8），具有高性能、低功耗、先進(jìn)的RISC體系結(jié)構(gòu)、高耐力非易失性內(nèi)存段、上電復(fù)位和可編程布朗檢測?？稍趷毫迎h(huán)境下同時保持穩(wěn)健通信，并且可以搭建符合IOT標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品所需的所有硬件和軟件。這款芯片集成度很高，外部電路相對簡單，用在無線傳感器設(shè)計中相對簡潔。

3.2.2數(shù)據(jù)采集節(jié)點設(shè)計

節(jié)點功能模塊如圖4所示。包含傾斜計傳感器、土壤水分儀、位移傳感器、孔隙水壓力傳感器、加速度傳感器、NB-IoT無線傳感器收發(fā)處理模塊以及供電模塊（電池組）。

傾斜計用于測量土壤流動所產(chǎn)生的傾斜度，其數(shù)據(jù)用于分析山體所能承受壓力的限度。土壤水分儀主要用來測量土壤含水量（土壤含水率），土壤水分儀是山體滑坡監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)中最重要、最基礎(chǔ)的儀器。位移傳感器采用拉繩位移傳感器，能及時測量到土質(zhì)滑動滑移狀態(tài)，不僅能對大位移進(jìn)行檢測，對小位移也能監(jiān)測到，可以提高系統(tǒng)監(jiān)測的保證率?？紫端畨毫鞲衅鞑捎肁D-25微型孔隙水壓力傳感器。用于測量巖石和土壤地表水的流動狀態(tài)和水壓力的大小，并把水壓力從所量測的總土壓力中分離出來;也可用于測孔隙水壓力的大小和分布。具有快速響應(yīng)、體積小、重量輕等特點。加速度傳感器采用MMA8451數(shù)字式三軸加速度傳感器，采用低電壓供電，集成度高，最高精度可達(dá)14位。傳感器采用QFN封裝，內(nèi)部自帶低通濾波器功能。

3.2.3 路由節(jié)點設(shè)計

路由節(jié)點的硬件結(jié)構(gòu)組成部分有：供電模塊（電池）、ATmega328P-PU芯片以及NB-IoT模塊。路由節(jié)點主要作用是路徑選擇和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，其將數(shù)據(jù)采集節(jié)點采集到的數(shù)據(jù)傳送到匯聚節(jié)點，當(dāng)有新的節(jié)點加入后，路由器會自行選擇新的鏈路。

傳感器網(wǎng)分布在滑坡監(jiān)測地帶，是屬于危險性較高的區(qū)域。除了在傳感器設(shè)計時進(jìn)行優(yōu)化，盡可能降低其能耗以外，供電模塊的設(shè)計對于整個傳感器網(wǎng)絡(luò)至關(guān)重要。供電模塊在設(shè)計時要根據(jù)實際情況考慮其儲能和供電的方式?？紤]到所采用的NB-IoT模塊耗能極低，因此可以采用電池供電，本文選擇CRl23a鋰電池，額定輸出電壓3.7V，容量可達(dá)700mA。h。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

搭載NB-IOT的無線傳感器完成數(shù)據(jù)采集后，利用網(wǎng)絡(luò)通信將數(shù)據(jù)傳輸?shù)轿锫?lián)網(wǎng)云平臺，遠(yuǎn)程控制端上位機(jī)讀取數(shù)據(jù)后，通過物聯(lián)網(wǎng)平臺發(fā)送指令給微處理器，微處理器再將不同的操控指令傳輸至對應(yīng)的無線傳感器，以實現(xiàn)遠(yuǎn)程無線控制操作。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的無線監(jiān)測數(shù)據(jù)采集設(shè)計平臺采用Arduino的集成開發(fā)環(huán)境（Arduino IDE），這是一款開放源代碼的集成開發(fā)環(huán)境。語法簡單且方便，界面簡潔，便于程序開發(fā)。Arduino IDE具有很強(qiáng)的兼容性，能夠適用在Windows、Linux以及Max OS X系統(tǒng)中。軟件開發(fā)設(shè)計主要涉及現(xiàn)場無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集設(shè)計和監(jiān)測系統(tǒng)上位機(jī)構(gòu)建設(shè)計。

4.1 數(shù)據(jù)采集流程

為降低能耗，將傳感器節(jié)點的工作模式選擇為中斷工作模式。一般情況下處于休眠狀態(tài)。當(dāng)設(shè)定為指定時間時，程序進(jìn)入中斷模式，啟動CPU進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和傳輸。數(shù)據(jù)采集過程中，所采集的數(shù)據(jù)沒有超過閾值時，無信息指令發(fā)出，當(dāng)采集的數(shù)據(jù)到達(dá)閾值時，由傳感器節(jié)點發(fā)送信號至監(jiān)控中心，由監(jiān)控中心做出指令。這樣設(shè)計可以節(jié)省能耗，延長傳感器使用時間，方便經(jīng)濟(jì)。無線傳感器數(shù)據(jù)采集流程如圖5所示。

4.2 上位機(jī)系統(tǒng)

上位機(jī)界面以Microsoft Visual Studio（VS）為開發(fā)環(huán)境，運用C#語言進(jìn)行編寫。上位機(jī)用于對整個監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)實時記錄、顯示、查刪等功能的監(jiān)測和管控。主要有以下功能：

（1）對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行管理，能夠使各個模塊間的數(shù)據(jù)能夠相互讀取。

（2）提供人機(jī)交互界面，使用戶能有效在用戶端進(jìn)行操作。

（3）數(shù)據(jù)分析，將所接收到的各個模塊的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，得到對應(yīng)的數(shù)據(jù)分析結(jié)果。

5 結(jié)束語

NB-IoT作為一項新興的無線技術(shù)廣受歡迎。正大量應(yīng)用于不同的生活場景。本設(shè)計方案特色是采用NB-IoT無線技術(shù)。將其運用到滑坡監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計中，研究其通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集和傳輸，這種方法具有較強(qiáng)的可操作性。通過使用多種互聯(lián)的傳感器組成的數(shù)據(jù)采集節(jié)點對滑坡監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和分析，對可能發(fā)生災(zāi)害的情況做出判斷，能有效減少滑坡災(zāi)害對人們生產(chǎn)生活造成的影響。鑒于NB-IOT的優(yōu)點。將在滑坡監(jiān)測預(yù)警中具有很好的適用性以及較強(qiáng)的發(fā)展優(yōu)勢。這對于防治滑坡災(zāi)害具有重要的參考價值。